KR100933419B1 - 콘덴싱보일러의 열교환기 구조 - Google Patents

콘덴싱보일러의 열교환기 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연소실로부터 발생되는 열손실을 최소한으로 하여 보일러에서의 열효율을 증대시킴과 아울러 제조비용을 절감시킬 수 있으며, 연소실로부터 방열되는 열을 흡수하기 위한 연소실냉각유로와 연소가스와 난방수의 열교환이 이루어지는 열교환유로를 일체화시켜 배관구조가 간단한 콘덴싱보일러의 열교환기 구조를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
이를 구현하기 위한 본 발명은, 버너의 연소시 발생하는 연소 현열을 흡수하는 현열교환기와, 상기 현열교환기에서 열교환을 마친 연소가스에 포함된 수증기의 잠열을 흡수하는 잠열교환기로 이루어진 콘덴싱보일러의 열교환기 구조에 있어서, 상기 잠열교환기의 열교환유로와 상기 현열교환기의 열교환유로 및 연소실 벽면을 통해 발산되는 열을 흡수하기 위한 연소실냉각유로가 단일유로로 연결형성된 것을 특징으로 한다.
콘덴싱, 보일러, 현열, 잠열, 열교환, 연소실, 냉각

Description

콘덴싱보일러의 열교환기 구조{HEAT EXCHANGER OF CONDENSING BOILER}
본 발명은 콘덴싱보일러의 열교환기 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 콘덴싱보일러의 연소실을 냉각할 수 있는 연소실냉각유로를 잠열교환기와 현열교환기의 난방수유로에 일체화시킨 콘덴싱보일러의 열교환기 구조에 관한 것이다.
근래에 생산되는 보일러는 열효율을 증대시키기 위해 버너의 열을 직접 흡수하는 현열교환기와 현열의 잔열 및 응축잠열을 흡수하는 잠열교환기를 구비하고 있는데, 이와 같은 현열교환기와 잠열교환기를 갖춘 보일러를 콘덴싱보일러라 한다.
콘덴싱보일러의 열교환기는 버너의 연소시 발생되는 연소열을 열교환배관 내부를 흐르는 유체에 전달하는 장치로 현열교환기와 잠열교환기의 2중 구조로 되어 있다.
현열교환기는 버너에서 발생한 연소 현열을 열교환배관 내부를 흐르는 유체에 전달하고, 잠열교환기는 상기 현열교환기에서 열교환을 마친 현열의 잔열 및 배기가스 중의 수증기가 응축되면서 기체에서 액체로 변할 때 발생하는 응축잠열을 열교환배관 내부를 흐르는 유체에 전달하게 된다.
한편, 버너가 현열교환기와 잠열교환기의 상부에 설치된 하향식 가스보일러 또는 버너가 잠열교환기와 현열교환기의 하부에 설치된 상향식 가스보일러에서 연료와 공기의 연소에 의해 연소가스가 발생하는 연소실 내부는 고온이 되므로, 이러한 고온의 열에너지를 재흡수함으로써 열효율을 상승시키거나 고온의 열에너지가 연소실 외부로 전달되는 경우 연소실 주변 장치에 열 손상을 일으키는 것을 방지하기 위하여 연소실을 냉각시키는 장치가 필요하게 된다.
도 1은 종래 보일러의 연소실 냉각구조의 일실시예로서, 연소실 내벽에 단열재를 사용하는 건식(Dry type) 연소실 냉각구조를 나타내는 단면도이다.
연소실(2)의 중앙에는 버너(12)가 위치하고 있고, 연소실(2)의 외측벽(21) 내측에는 단열재(25)가 부착되어 있다.
그러나, 상기 단열재(25)의 단열능력에는 한계가 있기 때문에 계속적으로 발생하는 열량이 단열재(25)의 단열능력을 초과하는 경우에는 외측벽(21)의 부식 현상이 발생하는 문제가 있다.
또한 이러한 문제를 해결하기 위하여 단열재(25)의 두께를 두껍게 하거나, 외측벽(21)의 재질을 변경하는 경우에는 원가 상승을 초래하는 문제점이 있고, 단열재(25)를 사용하는 건식(Dry type) 연소실 냉각구조는 후술하는 습식(Wet type) 연소실 냉각구조에 비하여 열효율이 떨어지는 단점이 있다.
도 2는 종래 보일러의 연소실 냉각구조의 다른 실시예로서, 연소실하우징 외벽에 난방수유입관이 감겨진 습식(Wet type) 연소실 냉각구조를 나타내는 단면도이다.
연소실(3)의 측면 둘레에는 난방수가 유입되는 난방수배관(35)이 외측벽(21) 둘레에 접촉된 상태로 감겨져 있어, 연소실(3) 내부에서 발생된 고온의 열이 연소실(3) 외부로 방열되는 과정에서 일부의 열은 상기 난방수배관(35) 내부를 순환하는 난방수에 흡수되도록 하는 구조로 되어 있다. 통상 상기 난방수배관(35)은 동파이프로 구성된다.
이러한 습식 연소실 냉각구조는 난방수배관(35)을 순환하는 난방수가 열을 흡수하여 예열된 상태에서 열교환기(15)로 유입되므로 건식 연소실 냉각구조에 비하여 열교환기(15)에서의 열효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
그러나 종래 습식 연소실 냉각구조는 동파이프 재질로 구성됨으로써 제조비용을 상승시키고, 외측벽(21) 일부분에만 난방수배관(35)이 감겨진 구조로 되어 있어 난방수배관(35)이 감겨져 있지 않은 부분을 통하여 연소실(3)의 열이 외부로 그대로 방열될 뿐만 아니라 연소실의 열을 흡수하기 위한 난방수배관(35)과 열교환기(15)를 구성하는 열교환배관이 별도로 설치되어 있어 배관구조가 복잡해지는 문제점이 있다.
또한 이러한 연소실 냉각구조를 현열교환기와 잠열교환기가 구비된 콘덴싱보일러에 적용시킬 경우에는 상기와 같은 문제점을 해결할 필요성은 더욱 커지게 된다.
본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 연소실로부터 발생되는 열손실을 최소한으로 하여 보일러에서의 열효율을 증대시킴과 아울러 제조비용을 절감시킬 수 있으며, 연소실로부터 방열되는 열을 흡수하기 위한 연소실냉각유로와 연소가스와 난방수의 열교환이 이루어지는 열교환유로를 일체화시켜 배관구조가 간단한 콘덴싱보일러의 열교환기 구조를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 버너의 연소시 발생하는 연소 현열을 흡수하는 현열교환기와, 상기 현열교환기에서 열교환을 마친 연소가스에 포함된 수증기의 잠열을 흡수하는 잠열교환기로 이루어진 콘덴싱보일러의 열교환기 구조에 있어서, 상기 잠열교환기의 열교환유로와 상기 현열교환기의 열교환유로 및 연소실 벽면을 통해 발산되는 열을 흡수하기 위한 연소실냉각유로가 단일유로로 연결형성된 것을 특징으로 한다.
이 경우 상기 잠열교환기의 열교환유로로 유입된 난방수는 상기 연소실냉각유로 및 현열교환기의 열교환유로 내부를 순차 통과한 후 난방이 소요되는 장소로 이송되는 것으로 구성될 수 있다.
또한 상기 연소실냉각유로는 연소실 외벽을 둘러싸는 복수의 공간부로 이루어지고, 상기 복수의 공간부 사이는 엘보파이프로 연결된 것으로 구성될 수 있다.
또한 상기 복수의 공간부는, 연소실을 둘러싸는 제1,제2,제3,제4연소실내측판과 각각의 연소실내측판의 외측 공간을 밀폐하는 제1,제2,제3,제4연소실외측판과의 사이에 형성되는 제1,2,3,4연소실냉각유로로 이루어지고; 상기 잠열교환기의 난방수출구는 상기 제1연소실냉각유로와 연결되며; 상기 제4연소실냉각유로는 상기 현열교환기의 난방수입구와 연결된 것으로 구성될 수 있다.
또한 상기 연소실외측판은 합성수지재질로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 연소실에서 발생하여 외부로 방열되는 고온의 열을 난방수로 흡수시켜 연소실 주변 장치의 고온에 의한 열적 손상을 방지할 수 있고, 난방수가 통과하는 연소실냉각유로의 외측벽은 합성수지 재질로 함으로써 제조비용을 절감시킬 수 있고, 연소실냉각유로와 열교환유로를 일체화시킴으로써 배관구조의 단순화와 그로 인해 제조비용이 절감되는 효과가 있다.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 콘덴싱보일러의 열교환기 구조를 보여주는 정단면개략도, 도 4는 도 3에 도시된 콘덴싱보일러의 열교환기 구조를 보여주는 좌측면도, 도 5는 도 3에 도시된 콘덴싱보일러의 열교환기 구조를 보여주는 우측면도이다.
본 발명의 콘덴싱보일러에는, 버너(도면에 미도시)에 의해 연소가 일어나는 연소실(101)을 구비하고 상기 연소실(101)의 벽면을 통해 발산되는 열을 흡수하기 위한 연소실냉각유로가 형성된 연소실부(100), 상기 연소실부(100)의 하측에 설치되어 버너의 연소시 발생하는 연소 현열을 흡수하는 현열교환기(200), 상기 현열교환기(200)에서 열교환을 마친 연소가스에 포함된 수증기의 잠열을 흡수하는 잠열교환기(300)가 구비된다.
상기 연소실부(100)의 연소실냉각유로와 현열교환기(200)와 잠열교환기(300)의 열교환유로는 서로 연결되어 단일유로를 형성하고 있다.
즉, 잠열교환기(300)의 난방수입구(311b)를 통해 유입된 난방수는 제1잠열부외측판(311) 내부에 형성된 공간부(311a)와 열교환배관(321) 내부 및 제2잠열부외측판(331) 내부에 형성된 공간부(331a)에 순차로 유입되어, 상기 열교환배관(321)을 통해 잠열을 흡수하게 된다.
상기 공간부(331a)에 유입된 난방수는 상기 제2잠열부외측판(331)의 상측에 형성된 난방수출구(331b) 및 이에 연결된 연결파이프(401)를 통해 연소실부(100)의 제1연소실외측판(111)의 내부에 형성된 공간인 제1연소실냉각유로(111a)로 유입된다.
상기 제1연소실냉각유로(111a)에 유입된 난방수는 엘보파이프(151,152)를 통해 제2연소실외측판(121) 및 제3연소실외측판(131)의 내부에 형성된 공간인 제2연소실냉각유로(121a) 및 제3연소실냉각유로(131a)를 경유한 후 제4연소실외측판(141)의 내부에 형성된 공간인 제4연소실냉각유로(141a)에 유입됨으로써 연소실(101) 외측으로 방열되는 열을 흡수하게 된다.
상기 제4연소실냉각유로(141a)에 유입된 난방수는 연결파이프(402)를 통해 하부에 설치된 현열교환기(200)로 유입된다.
상기 현열교환기(200)의 제1현열부외측판(211)에 형성된 난방수입구(211b)로 유입된 난방수는 열교환배관(221)을 경유하면서 연소 현열을 흡수한 후 난방수출구(281b)를 통해 난방이 소요되는 장소로 이송된다.
상기와 같은 본 발명의 열교환기 구조에 의하면, 잠열교환기(300)의 열교환유로와 상기 현열교환기(200)의 열교환유로 및 연소실냉각유로(111a,121a,131a,141a)가 단일유로로 연결형성되어 연소실로부터 발생되는 열손실을 최소한으로 하여 보일러에서의 열효율을 증대시킴과 아울러 배관구조가 간단해지게 되어 제조비용이 절감된다.
또한 상기 연소실외측판(111,121,131,141)은 합성수지 재질로 이루어져 사출성형에 의해 제조되는 것이 바람직하다. 따라서 종래 동파이프 재질로 구성하는 경우와 비교하여 원가절감을 이룰 수 있게 된다. 이 경우 연소실(101)에서 발생된 열은 연소실냉각유로(111a,121a,131a,141a)에 가득채워진 난방수에 의해 열전달이 차단되므로 연소실외측판(111,121,131,141)은 합성수지 재질로 구성하더라도 열에 의한 변형 문제는 발생하지 않는다.
이하 연소실부(100)의 구성을 도 6, 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.
도 6은 도 3의 A-A 단면도이고, 도 7은 도 6에 도시된 연소실부의 각 구성을 보여주는 분해사시도이다.
연소실부(100)는, 연소실(101)과, 상기 연소실(101)을 둘러싸는 제1,제2,제 3,제4연소실내측판(112,122,132,142)과, 상기 제1,제2,제3,제4연소실내측판(112,122,132,142)과의 사이에 빈 공간인 제1,제2,제3,제4연소실냉각유로(111a,121a,131a,141a)를 형성하는 제1,제2,제3,제4연소실외측판(111,121,131,141) 및, 상기 제1,제2,제3,제4연소실냉각유로(111a,121a,131a,141a)가 서로 연통되도록 연결하는 엘보파이프(151,152,153,154)로 구성된다.
상기 제1,제2,제3,제4연소실내측판(112,122,132,142)은 평판의 네 변부를 절곡한 상자형상이고, 상기 제1,제2,제3,제4연소실외측판(111,121,131,141)은 상기 제1,제2,제3,제4연소실내측판(112,122,132,142)의 절곡부 내부로 각각 삽입될 수 있도록 사각 상자형상으로 형성된다.
상기 제1,제2,제3,제4연소실냉각유로(111a,121a,131a,141a)에 유입된 난방수는 제1,제2,제3,제4연소실내측판(112,122,132,142)을 경계로 연소실(101)과 열교환이 이루어진다.
상기 제1연소실냉각유로(111a)와 제2연소실냉각유로(121a), 제1연소실냉각유로(111a)와 제3연소실냉각유로(131a), 제2연소실냉각유로(121a)와 제4연소실냉각유로(141a), 제3연소실냉각유로(131a)와 제4연소실냉각유로(141a)는 4개의 엘보파이프(151,152,153,154)에 의해 각각 연결되어 하나의 일체화된 냉각유로를 제공한다.
도 8 내지 도 12를 참조하여 현열교환기(200)의 구성을 설명한다.
도 8은 본 발명의 현열교환기를 보여주는 평단면도(도 4의 B-B 단면도), 도 9는 도 8의 현열교환기의 각 구성을 보여주는 분해사시도, 도 10은 도 8의 현열교 환기를 측면에서 바라본 좌측면도, 도 11은 도 8의 A-A 단면도, 도 12는 도 8의 B-B 단면도이다.
현열교환기(200)는, 난방수가 통과할 수 있도록 내부에 빈 공간부(211a,231a,241a,251a,261a,271a,281a)가 형성된 복수의 현열부외측판(211,231,241,251,261,271,281)과, 상기 현열부외측판(211,231,241,251,261,271,281) 내부를 경유한 난방수가 통과하면서 열교환이 이루어지도록 하기 위해 전열핀(222)이 외주면에 결합된 복수의 열교환배관(221)과, 상기 열교환배관(221)의 양측끝단이 삽입고정되어 상기 현열부외측판(211,231,241,251,261,271,281)과의 사이에 상기 공간부(211a,231a,241a,251a,261a,271a,281a)를 형성하는 현열부내측판(212,232)으로 이루어진다.
상기 현열부내측판(212,232)에는 삽입구멍(212a,232a)이 관통 형성되어 있고, 상기 삽입구멍(212a,232a)에 열교환배관(221)의 양측 끝단이 삽입되어 결합된다.
상기 열교환배관(221)은 연소가스와 접촉되는 변의 폭이 높이에 비해 큰 장방형 단면을 갖고, 그 외주면에는 도 8에 도시된 바와 같이 전열핀(222)이 결합되어 있다.
상기 현열부내측판(212,232)과 현열부외측판(211,231,241,251,261,271,281)은 연접하여 설치된다.
상기 현열부외측판(211,231,241,251,261,271,281)의 외측은 고정판(214,234) 에 의해 상기 현열부내측판(212,232)과의 결합이 이루어진다.
본 실시예의 현열교환기(200)에 형성된 난방수유로를 설명한다. 상기 연소실부(100)의 제4연소실냉각유로(141a)로 유입된 난방수는 연결파이프(402)에 의해 현열부외측판(211)에 형성된 난방수입구(211b)로 유입된다. 상기 난방수입구(211b)로 유입된 난방수는 복수의 열교환배관(221) 및 공간부(231a,241a,251a,261a,271a,281a)를 지그재그로 경유한 후 난방수출구(281b)를 통해 난방이 소요되는 장소로 이송된다.
도 13 내지 도 15를 참조하여 잠열교환기(300)의 구성을 설명한다.
도 13은 도 3에 도시된 열교환기의 C-C 단면도, 도 14는 도 13에 도시된 열교환기의 구성을 보여주는 분해사시도, 도 15는 도 13에 도시된 열교환기의 D-D 단면도이다.
잠열교환기(300)는 서로 평행하도록 일정 간격으로 다수개가 배치되고 외주면에는 전열핀(322)이 결합된 열교환배관(321)과, 상기 열교환배관(321)의 양측 끝단이 삽입 결합되어 고정되는 잠열부내측판(312,332)과, 상기 잠열부내측판(312,332)의 내면과의 사이에 난방수유로인 공간부(311a,331a)를 형성하는 잠열부외측판(311,331)으로 이루어진다.
일측의 잠열부외측판(311)에는 난방수입구(311b)가 형성되어 난방수가 유입되고 타측의 잠열부외측판(331)에는 난방수출구(331b)가 형성되어 열교환배관(321)을 거치면서 가열된 난방수가 배출되며, 상기 난방수출구(331b)는 도 3에 도시된 연결파이프(401)를 통해 연소실부(100)의 제1연소실냉각유로(111a)에 연결된다.
상기에서는 하향식 콘덴싱보일러의 경우에 대해 설명하였으나, 상향식 콘덴싱보일러의 경우에도 연소실냉각유로와 현열교환기의 열교환유로 및 잠열교환기의 열교환유로를 단일유로로 연결하는 구성이 가능하다.
이상, 본 발명을 실시 예를 사용하여 설명하였으나 이들 실시예는 예시적인 것에 불과하며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상에서 벗어나지 않으면서 다양한 수정과 변경을 가할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래 보일러의 연소실 냉각구조의 일실시예를 나타내는 단면도,
도 2는 종래 보일러의 연소실 냉각구조의 다른 실시예를 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 콘덴싱보일러의 열교환기 구조를 보여주는 정단면개략도,
도 4는 도 3에 도시된 콘덴싱보일러의 열교환기 구조를 보여주는 좌측면도,
도 5는 도 3에 도시된 콘덴싱보일러의 열교환기 구조를 보여주는 우측면도,
도 6은 도 3의 A-A 단면도,
도 7은 도 6에 도시된 연소실부의 각 구성을 보여주는 분해사시도,
도 8은 본 발명의 현열교환기를 보여주는 평단면도(도 4의 B-B 단면도),
도 9는 도 8의 현열교환기의 각 구성을 보여주는 분해사시도(전열핀 미도시),
도 10은 도 8의 현열교환기를 측면에서 바라본 좌측면도,
도 11은 도 8의 A-A 단면도,
도 12는 도 8의 B-B 단면도,
도 13은 도 3에 도시된 열교환기의 C-C 단면도,
도 14는 도 13에 도시된 열교환기의 구성을 보여주는 분해사시도,
도 15는 도 13에 도시된 열교환기의 D-D 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 연소실부
101 : 연소실
111,121,131,141 : 연소실외측판
111a,121a,131a,141a : 연소실냉각유로
112,122,132,142 : 연소실내측판
200 : 현열교환기
211,231,241,251,261,271,281 : 현열부외측판
212, 232 : 현열부내측판
300 : 잠열교환기
311, 331 : 잠열부외측판
312, 332 : 잠열부내측판
221, 321 : 열교환배관

Claims (6)

  1. 버너의 연소시 발생하는 연소 현열을 흡수하는 현열교환기와, 상기 현열교환기에서 열교환을 마친 연소가스에 포함된 수증기의 잠열을 흡수하는 잠열교환기로 이루어진 콘덴싱보일러의 열교환기 구조에 있어서,
    연소실 벽면을 따라 형성된 유로를 통해 난방수가 연소실 벽면 전체에 직접 접촉되어 유동됨으로써 연소실을 냉각시키도록 구성된 연소실냉각유로를 포함하되, 상기 연소실냉각유로는 연소실 외벽을 둘러싸는 복수의 공간부로 이루어지고, 상기 복수의 공간부 사이는 엘보파이프로 연결된 것을 특징으로 하는 콘덴싱보일러의 열교환기 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연소실냉각유로는 상기 잠열교환기의 열교환유로 및 상기 현열교환기의 열교환유로와 단일유로로 연결형성된 것을 특징으로 하는 콘덴싱보일러의 열교환기 구조.
  3. 제2항에 있어서, 상기 잠열교환기의 열교환유로로 유입된 난방수는 상기 연소실냉각유로 및 현열교환기의 열교환유로 내부를 순차 통과한 후 난방이 소요되는 장소로 이송되는 것을 특징으로 하는 콘덴싱보일러의 열교환기 구조.
  4. 삭제
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 공간부는, 연소실을 둘러싸는 제1,제2,제3,제4연소실내측판과 각각의 연소실내측판의 외측 공간을 밀폐하는 제1,제2,제3,제4연소실외측판과의 사이에 형성되는 제1,2,3,4연소실냉각유로로 이루어지고; 상기 잠열교환기의 난방수출구는 상기 제1연소실냉각유로와 연결되며; 상기 제4연소실냉각유로는 상기 현열교환기의 난방수입구와 연결된 것;을 특징으로 하는 콘덴싱보일러의 열교환기 구조.
  6. 제5항에 있어서, 상기 연소실외측판은 합성수지재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 콘덴싱보일러의 열교환기 구조.
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